KR20110074085A - 고온 전기방사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 전기방사장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용융 혹은 용액 전기방사에 있어서 방사액을 가열하는 방법으로 일반적인 가열 방식인 열전도 방법이 아닌 복사 및 대류의 방법으로 방사액을 가열함으로써, 전도식 가열장치를 포함하는 종래의 전기방사장치에서 일어날 수 있는 전기장 간섭효과, 가열장치로의 누전 현상, 방사기기로의 고전압 인가 현상과 같은 전기적인 문제를 해결하는 효과가 있는 전기방사장치에 관한 것이다

전기방사, 용액전기방사, 용융전기방사, 방사노즐부, 나노섬유, 전기적 절연, 복사열, 대류열, 열전도

Description

고온 전기방사장치{HIGH TEMPERATURE ELECTROSPINNING DEVICE}

본 발명은 고온 전기방사장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용융 혹은 용액 전기방사에 있어서 방사액을 가열하는 방법으로 일반적인 가열 방식인 열전도 방법이 아닌 복사 및 대류의 방법으로 방사액을 가열하는 것을 특징으로 하는 고온 전기방사장치에 관한 것이다.

전기방사(Electrospinning)는 섬유 원료 용액을 하전상태에서 방사하여 미세 직경의 섬유를 제조하는 기술로서 최근에는 나노미터급 섬유를 제조하기 위한 기술로 이용되어 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 전기방사법은 전극의 한 극은 방사노즐부에, 다른 한 극은 콜렉터에 위치한 서로 반대 극성을 가지는 두 전극 사이에서, 하전된 고분자 용액을 방사노즐부를 거쳐 공기중으로 토출하고, 이어서 공기 중에서 하전 필라멘트의 연신 및 또 다른 필라멘트 분기를 거쳐 극세섬유를 제조하는 방법이다. 즉, 하전된 토출 필라멘트는 노즐과 콜렉터 사이에 형성된 전기장 내에서 상호 반발등 전기적 영향으로 심한 요동을 거치면서 극세화된 다.

전기방사에 의해 제조되는 섬유는 직경이 마이크로미터 두께에서 나노미터 두께가 되는데, 이와 같이 두께가 줄어들면 전혀 새로운 특성들을 나타낸다. 예들 들어, 체적에 대한 표면적 비율의 증가와 표면 기능성 향상, 장력을 비롯한 기계적 물성의 향상 등이 그것이다. 이러한 우수한 특성에 의해서 나노섬유는 많은 중요한 응용 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 나노섬유로 구성된 웹은 다공성을 갖는 분리막형 소재로서 각종 필터류, 상처치료용 드레싱, 인공지지체 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

전기방사를 위한 전기방사장치는 통상적으로 방사용액을 보관하는 방사용액 주탱크, 방사용액의 정량 공급을 위한 계량펌프, 방사용액을 토출하는 다수개의 노즐이 배열된 노즐팩, 상기 노즐팩과 대향하여 위치하며 방사되는 섬유들을 집적하는 콜렉터 및 전압을 발생시키는 전압발생장치들로 구성되어 있다.

이러한 전기방사장치를 이용하여 나노 섬유를 제조하는 경우, 나노 섬유의 특성을 결정하는 요인으로는 고분자 용액의 농도, 유전특성, 표면장력 등의 물질 특성과, 노즐과 콜렉터 사이의 거리, 노즐과 콜렉터 사이의 전압, 전기장 전하밀도, 노즐내에서의 정전기적 압력, 고분자 용액의 주입속도와 같은 제어변수 등을 들 수 있다.

이와 관련하여, 종래의 전기방사장치에 있어서는 주로 고분자 용액을 이용하여 방사가 이루어지며 용액의 농도 범위는 대략 10% 내외를 유지하였다. 그러나, 고온으로 고분자 용액을 가열하면 solubility가 향상되어 고농도를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 방사액의 viscosity도 감소하므로 전기방사장치가 방사액을 고온으로 가열하는 유닛을 구비하는 경우 여러가지 잇점을 가지게 된다. 특히 이러한 가열장치는 고분자의 용융 전기방사도 가능하게 한다.

그러나, 종래의 전기방사장치에 있어서는 이러한 가열장치가 열전도 타입으로 이루어져 있어 전기방사장치의 다른 구성부품과 인접하여 설치되는 것이 불가피하였으며, 이 경우 방사액을 고온으로 가열하여 전기방사를 시행할 때 가열장치가 전기방사장치의 다른 구성부분과 전기적으로 통전상태가 되어 고압의 전압이 가열부나 센서 등의 장치에 영향을 미치거나 기계적으로 손상되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고온의 방사액을 전기방사함에 있어서 방사액을 가열하는 방식이 통상의 열전도 방법이 아닌 복사 및 대류에 의한 가열 방식을 채택함으로써 고압의 전압이 가열부나 센서 등의 장치에 영향을 미치지 않는 전기방사장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 상기와 같이 복사 및 대류에 의해 방사액을 가열하는 방사액 가열부를 포함함으로써, 고분자 용액뿐만 아니라 고분자 용융액도 효율적으로 전기방사 할 수 있는 전기방사장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 이점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 자명해질 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은, 폴리머를 공급하기 위한 폴리머 공급부, 상기 폴리머 공급부의 후단에 위치하며 이송된 폴리머를 방사하는 방사노즐부, 상기 방사 노즐부에 복사열 및 대류열을 공급하기 위한 가열부, 상기 방사 노즐부와 대향하여 위치하며 방사 노즐부에서 방사된 섬유를 집적하는 콜렉트부 및 상기 방사 노즐부와 콜렉터부 사이에 전압을 인가하기 위한 전압 공급부를 포함하는 고온 전기방사장치에 관한 것이다.

본 발명의 일 구현예에 의한 상기 고온 전기방사장치는, 방사액으로 고분자 용액 또는 고분자 용융액을 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에 의한 상기 고온 전기방사장치에서, 가열부는 코일히터, 코일히터를 둘러싸는 단열벽, 열풍을 공급하기 위한 열풍 주입구 및 열풍 방향조절 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에 의한 상기 고온 전기방사장치에서, 코일히터의 최고 표면온도는 950~1050 ℃이고, 열풍의 온도는 상온~500 ℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에 의한 상기 고온 전기방사장치에서, 콜렉터부는 방사 노즐부와 수평 방향으로 대향하여 배치되거나, 방사 노즐부의 상방 또는 하방에 대향하여 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 고온 전기방사장치는, 용액 가열 방식을 복사 및 대류 방식을 채택함으로써 전도를 주된 가열수단으로 이용하는 전기방사장치에서 일어날 수 있는 전기장 간섭효과, 가열장치로의 누전 현상, 고전압이 인가되어야 하는 노즐부를 제외한 방사기기로의 고전압 인가 현상과 같은 전기적인 문제를 해결하는 효과가 있다.

이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 구현예에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전기방사장치의 각 구성요소를 개략적으로 도시한 모식도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 고온 전기방사장치는 폴리머를 공급하기 위한 폴리머 공급부(100), 상기 폴리머 공급부(100)의 후단에 위치하며 이송된 폴리머를 방사하는 방사 노즐부(200), 상기 방사 노즐부(200)에 복사열 및 대류열을 공급하기 위한 가열부(300), 상기 방사 노즐부(200)와 대향하여 위치하며 방사 노즐부(200)에서 방사된 섬유를 집적하는 콜렉트부(400) 및 상기 방사 노즐부(200)와 콜렉터부(400) 사이에 전압을 인가하기 위한 전압 공급부(500)를 포함한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 전기 방사장치에서 상기 폴리머 공급부(100)는 섬유 원료가 되는 폴리머를 방사 노즐부(200)로 공급하기 위한 부분이다. 도시된 구현예에서, 상기 폴리머 공급부(100)는 폴리머 방사액 저장탱크(110), 폴리머 방사액을 방사노즐부(200)측으로 정량공급하기 위한 정량펌프(120) 및 이송배관(130)을 포함하여 구성된다.

그러나, 폴리머 공급부(100)는 이러한 구성에 한정되는 것은 아니며, 용융 전기방사를 위하여 폴리머칩을 이송하기 위한 익스트루더(extruder) 타입의 이송수단을 구비한 폴리머 공급장치로 구성될 수도 있다.

본 발명에서 사용가능한 폴리머 재료는 폴리머 용액, 폴리머 용융물, 용해된 유리 물질, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 본 발명에서 사용가능한 대표적인 폴리 머의 비제한적인 예들은 불소 중합체, 폴리올레핀, 폴리이미드, 폴리락타이드, 폴리에스테르, 폴리카프로락톤, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리설폰, 폴리이미드, 폴리에틸렌 옥사이드를 포함하며, 이들을 단독으로 혹은 둘 이상이 혼합된 상태로 사용할될 수도 있다. 또한 본 발명에서 폴리머 용액 또는 용융 폴리머에는 물성의 향상을 위하여 기타 첨가제가 첨가될 수 있다.

상기 폴리머 공급부(100)에서 이송된 폴리머 방사액을 섬유상으로 토출하는 방사 노즐부(200)는 다수개의 방사노즐(220)과 이송된 방사액을 상기 방사노즐(220)로 분배하기 위한 디스트리뷰터(210)를 포함하여 이루어진다.

도시된 구현예에서는 상기 방사 노즐부(200)가 단일의 노즐팩으로 구성되는 것으로 되어 있으나, 여기에 한정되지 않으며 복수개의 노즐팩이 다양한 배열로 구성될 수도 있다. 또한, 이러한 방사 노즐부(200)에는 방사 구역에서 토출되어 콜렉터부(400)로 향하는 필라멘트들을 에어에 의해 콜렉터부(400) 방향으로 유도하는 복수의 에어 가이드(미도시)들이 추가로 구비될 수 있다.

상기 방사 노즐부(200)를 구성하는 방사노즐(220)의 개수는 제조될 나노섬유 웹의 사이즈나 두께, 생산 속도 등을 종합적으로 고려하여 설정될 수 있으며, 일례로 10개 이상의 방사노즐들이 일렬로 배열되거나 2열 이상의 다중열로 배열될 수 있다. 상기 방사노즐(210)은 세라믹 화합물, 금속 또는 금속합금 등을 포함하는 재료로 제작될 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.

전기장 간섭 방지, 토출 스트림간의 접촉 방지 등을 고려하면 상기 노즐 플레이트(210)에 형성되는 노즐(220)간의 간격은 예를 들어 2~20 mm로 설정될 수 있 으며, 더욱 바람직하게는 3~15 mm로 설정될 수 있다. 상기 노즐(220)의 출구측 내경은 0.01~3 mm로 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 고온 전기방사장치는, 방사액을 가열하는 수단으로써 복사 및 대류 방식에 의한 가열 방법을 채택하는 것에 발명의 특징이 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 고온 전기방사장치에 있어서 상기 가열부(300)는 히터(310), 단열벽(320), 열풍 주입구(330) 및 열풍 방향전환 밸브(340)를 포함하여 이루어진다.

상기 히터(310)는 방사액에 복사열을 전달하기 위한 것으로 예시된 구현예에서는 코일히터(310)를 사용하였으나, 일정 온도 이상을 발생시킬 수 있는 히터라면 그 종류에 제한없이 사용할 수 있다. 상기 코일히터(310)의 최고 표면온도는 방사액의 종류에 따라 적절하게 조절할 수 있으나 약 950 ~ 1050 ℃ 사이인 것이 적절하다.

상기 코일히터(310)는 단열벽(320)에 둘러싸여 열손실을 최소화할 수 있도록 설치되며 방사액에 코일히터(310)의 복사열이 전달될 수 있도록 방사 노즐부(200)에 직접 노출되도록 배치된다.

상기 단열벽(320)의 하부에는 개구부가 형성되며 여기에 열풍 주입구(330)가 연결되어 열풍기(미도시)로부터 열풍공급 덕트를 통하여 열풍이 공급된다. 상기 열풍기는 당업계에서 공지된 열풍기를 제한없이 사용할 수 있으며, 열풍의 온도는 방사액의 종류에 따라 적절하게 조절할 수 있으나 상온에서부터 대략 500 ℃ 사이인 것이 바람직하다. 상기 열풍은 상기 코일히터(310)에서 발생되는 불균일한 복사 열을 대류작용에 의하여 균일한 온도로 방사액으로 열을 전달하는 역할을 한다. 상기 열풍은 열풍 방향조절 밸브(340)에 의하여 열풍의 방향 및 열풍양이 조절됨으로써, 예를 들면 노즐부, 이송부 등의 특정영역에 일정한 온도를 집중하거나, 혹은 전 구간의 온도를 균일하게 하는 역할을 하며, 방사액의 온도 편차 없이 균일한 온도를 가할 수 있게 한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 가열부(300)는 전기방사장치의 다른 구성부분과는 공간적으로 이격되어 전기적 절연상태로 설치되므로, 종래의 전도식 가열수단으로 이루어진 전기방사장치에서 발생할 수 있는 전기장 간섭효과, 가열기기로의 누전현상, 방사기기로의 고전압 인가현상과 같은 전기적인 문제를 해결할 수 있게 된다. 또한 복사 및 대류 작용에 의하여 피가열체가 균일하게 가열되므로 효율적으로 방사액을 가열할 수 있는 효과가 있다. 가열된 방사액의 최종 온도는 폴리머의 융점, 가공온도에 따라 각각 상이하게 조절될 수 있으며, 80~500℃ 정도가 바람직하다.

상기와 같이 가열된 폴리머 방사액에는 전압 공급부(500)로부터 고압의 전압이 인가되어 방사액이 하전된다. 본 발명에서 상기 전압 공급부(500)의 전압발생 장치는 당업계에서 공지된 방식을 제한없이 사용할 수 있다. 바람직하게 상기 전압발생 장치에서 인가되는 전압은 5 ~ 200kV의 범위 내에 해당하도록 하는 것이 나노미터급의 방사를 위해 적합하다.

하전상태의 방사액은 방사노즐(220)의 토출구를 통과하면서 미세 필라멘트 형태로 공기중으로 방사되어 콜렉터(410)에 집적된다. 이때, 콜렉터(410)와 하전 필라멘트 간에는 강력한 전기장이 형성되므로, 필라멘트가 나노급의 직경으로 연신되면서 방사하게 된다.

이때 콜렉터(410)는 접지되거나 방사노즐(220)에 인가된 전압의 극성과 반대의 극성이 인가되며, 예를 들어 이송롤러(420)와 같은 이송수단을 통하여 컨베이어벨트 방식으로 방사노즐(220)에 대하여 연속적으로 공급되도록 구성되는 것이 바람직하다. 상기 콜렉터(410)의 소재로는 전도성이 우수한 금속판이 바람직하게 사용되며, 그 밖에 다양한 종류의 전도성 재료가 사용될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 전기방사장치를 구성함으로써 직경이 (10 nm) ~ (100 ㎛)에 해당하는 섬유를 얻을 수 있으며, 이러한 나노섬유를 컬렉터에 집적하여 두께 수 마이크로 ~ 수백 마이크로의 웹을 제조할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 방사노즐부(200)와 콜렉터부(400)는 수평방향으로 대향하여 배치되어 있으나, 여기에 한정되지 않으며 수직방향으로도 대향하여 배치될 수 있다. 즉 본 발명의 고온 전기방사장치는 횡방향식 방사장치뿐만 아니라 상방식 또는 하방식 방사장치에도 적용될 수 있다.

한편, 하전 필라멘트를 직물, 부직포, 종이 등과 같은 비금속성의 기재(430) 위에 집적시킬 수도 있다. 이 경우에는 상기 콜렉터(410) 상측에 기재(430)를 위치시킨 상태에서 이송롤러(420)를 이용해 기재(430)를 이동시키면 방사된 하전 필라멘트가 기재(430) 상에 집적되게 된다. 이어서, 기재(430) 상에 형성된 웹은 기재(430)가 상, 하부 히팅롤러(미도시)를 통과하면서 가열되어 칼렌더링(calendaring)되며, 최종적으로 권취롤러(미도시)에 권취됨으로써 공정이 종료하 게 된다.

본 발명의 상기 고온 전기방사장치에서 전술한 복사 및 대류 방식의 가열수단은 반드시 전술한 구현예에 한정하여 적용되지 않으며, 전기방사방식으로 나노섬유를 제조하기 위한 통상적인 전기방사장치에서 폴리머를 가열하기 위한 가열수단으로 적용될 수 있음이 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 고온 전기방사장치는 용액전기방사, 용융전기방사 등 모든 형태의 전기방사장치에 제한없이 적용될 수 있다.

본 발명의 고온 전기방사장치를 이용하여 제조될 수 있는 나노섬유는 필터소재, 광화학 센서소재, 카본 나노튜브 등 탄소 소재, 전자소자용 소재, 생체 의학용 소재, 조직 공학용 소재, 약물 전달용 소재, DNA 제조용 기초소재 및 미용소재 등으로 광범위하게 응용될 수 있다. 예를 들어, 나노섬유는 부피에 비해 표면적이 매우 크기 때문에 필터용으로 응용시 탁월한 효과를 나타내며, 전기전도성을 지닌 고분자를 나노 섬유로 제조해 유리에 코팅하면 햇빛의 양을 감지해 창문의 색을 변하게 할 수 있다. 전도성 나노섬유를 리튬이온전지의 전해질로 사용할 경우, 전해액의 누출을 막으면서 도전지의 크기와 무게를 크게 줄일 수 있다. 또한 생체조직과 흡사하게 만든 인공단백질로 나노섬유를 만들면 상처가 아물면서 바로 몸속으로 흡수되는 붕대나 인조피부 제조에도 이용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나 본 발명은 상술한 구현예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 많은 변형이 가능함은 자명할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 고온 전기방사장치의 각 구성요소를 개략적으로 도시한 모식도이다

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

110 : 방사액 저장탱크 120 : 정량펌프

130 : 이송배관 210 : 디스트리뷰터

220 : 방사노즐 310 : 코일 히터

320 : 단열벽 330 : 열풍 주입구

340 : 열풍 방향조절 밸브 410 : 콜렉터

420 : 이송롤러 430 : 기재

500 : 전압 공급부

Claims (5)

1. 폴리머를 공급하기 위한 폴리머 공급부;

   상기 폴리머 공급부의 후단에 위치하며 이송된 폴리머를 방사하는 방사노즐부;

   상기 방사 노즐부에 복사열 및 대류열을 공급하기 위한 가열부;

   상기 방사 노즐부와 대향하여 위치하며 방사 노즐부에서 방사된 섬유를 집적하는 콜렉트부; 및

   상기 방사 노즐부와 콜렉터부 사이에 전압을 인가하기 위한 전압 공급부를 포함하는 고온 전기방사장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 폴리머는 고분자 용액 또는 고분자 용융액인 것을 특징으로 하는 고온 전기방사장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 가열부는 코일히터, 코일히터를 둘러싸는 단열벽, 열풍을 공급하기 위한 열풍 주입구 및 열풍 방향조절 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 전기방사장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 코일히터의 최고 표면온도는 950~1050 ℃이고, 열풍의 온도는 상온~500 ℃인 것을 특징으로 하는 고온 전기방사장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 콜렉터부는 방사 노즐부와 수평 방향으로 대향하여 배치되거나, 방사 노즐부의 상방 또는 하방에 대향하여 배치되는 것을 특징으로 하는 고온 전기방사장치.

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